[发明专利]一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及在深空探测器处于捕获段时，基于目标天体图像和预测天体图像进行星历修正的自主天文导航方法，是一种非常适用于深空探测器捕获段的导航方法。

背景技术

捕获段是指从深空探测器进入目标影响球开始到点火制动的全过程，处于该阶段的深空探测器飞行速度快，飞行弧段短，控制精度要求高，且机会唯一。深空探测器减速制动的入轨点距离目标行星表面非常近(近地点)，被捕获是整个深空探测任务的一个关键时间节点，捕获阶段相对目标天体的相对导航精度和相对于太阳或者地球的绝对导航精度对后续探测任务有直接影响。然而深空探测器在捕获段航行速度快、空间电离环境未知、大气环境复杂，这些因素都对深空探测器的入轨精度有很大的影响，也制约着深空探测器捕获后绕飞、着陆等阶段的导航精度，当入轨精度不能达到指标要求时，甚至无法完成科学探测任务，导致整个任务的失败。

目标天体星历数据是影响深空探测器捕获段导航性能的主要因素之一。目标天体星历数据是描述目标天体位置、速度等特征的一类天体数据库，由长期天文观测拟合而成的。若一段时间没有天文观测信息进行修正，目标天体星历数据误差会随时间的递推而增加。太阳系内行星(除地球外)目前的星历误差约为200m～100km。

处于捕获段的深空探测器距离地球较远，飞行速度较快，飞行距离远，时间长，环境未知性较强，传统上依靠地面测控的深空探测器导航与控制方法在实时性、成本和资源上受到种种限制，存在很多不足，很难满足深空探测一些特殊任务对高精度导航与控制的需要，因而对自主导航的要求更为迫切。

传统基于天体星历修正的导航方法主要有两种，一种方法为将无线电导航信息与天文导航信息组合进行几何解析，求解目标天体星历及星历误差，此后将无线电导航导航结果转换至目标天体质心惯性坐标系中，获得较高精度的导航信息。但是这种方法由于没有实时修正状态模型的模型误差，仍然无法消除目标天体星历误差对探测器状态模型精度的影响，导航精度仍较低。另一种方法(专利号：201310006575.X一种基于星历修正的深空探测器天文/无线电组合导航方法)为利用天文和无线电两个导航系统所估计的探测器位置，结合目标天体、探测器、地球的几何关系得到目标天体星历误差量测量，并获得目标天体星历误差量测量，利用卡尔曼滤波方法估计目标天体星历误差，并反馈至导航系统模型中，再进行天文/无线电测控导航信息融合。但是这两种方法都必须依赖无线电测控信息的协助，才可确定目标天体星历误差，仍然无法自主实时修正目标天体星历误差及其对状态模型误差和导航结果的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服目标天体星历误差对相对地球导航精度的影响，弥补现有天文/无线电测控导航方法难以自主消除目标天体星历误差对探测器状态模型的影响这一不足，合理有效利用天文导航所提供的导航信息，为深空探测器捕获段提供一种高精度自主修正目标天体星历的天文导航方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：首先建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测天体图像与实际天体图像的位置差获取目标天体星历误差量测量；其次将目标天体星历误差状态模型和基于太阳和八大行星引力的轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将目标天体星历误差量测模型和天文星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，根据探测器的状态模型和量测模型都呈现非线性特性，且系统噪声为非高斯噪声的特点，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的目标天体星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，提高状态模型的模型精度，并最终提高相对于目标天体和相对于日心的探测器导航信息的估计精度。

具体包括以下步骤：

1.建立目标天体星历误差状态模型

根据目标天体星历误差在捕获段时间段内慢变这一特点，建立目标天体星历误差状态模型为：

式中，b_x,b_y,b_z为目标天体星历三轴位置误差，为目标天体星历三轴位置误差的微分，为目标天体星历误差状态模型误差；

2.建立目标天体星历误差量测模型

B_m＝[b_x b_y b_z]^T+w_m(2)

式中，w_m为目标天体星历误差的测量噪声；B_m为目标天体星历误差量测量。